Переключение полярности полимерных полупроводников

Исследователи из Южной Кореи впервые раскрыли механизм, благодаря которому примеси, или допанты, могут изменять тип проводимости органических полимерных полупроводников. Команда под руководством профессора Килвон Чо из POSTECH и профессора Босок Канга из Sungkyunkwan University (SKKU) выяснила, как регулирование концентрации одного допанта позволяет полимерам переключаться между положительным (p-тип) и отрицательным (n-тип) типами проводимости. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.

Полупроводники являются ключевыми компонентами современных электронных устройств. Хотя кремниевые полупроводники обладают высокой производительностью, их жесткость ограничивает применение в таких областях, как гибкие дисплеи, носимая электроника и электронная кожа. Полимерные полупроводники, напротив, легки и гибки, что делает их перспективными для электроники нового поколения.

Однако одной из главных проблем является ограниченное количество стабильных n-тип органических полупроводников. Большинство сопряженных полимеров естественно проявляют p-тип проводимости, а существующие n-тип аналоги часто имеют низкую стабильность в обычных условиях. Для практического применения необходима стратегия, позволяющая использовать как p-тип, так и n-тип функциональность в рамках одной полимерной системы.

Исследовательская группа решила эту проблему с помощью явления переключения полярности. Когда полимер p-типа подвергается воздействию достаточно высокой концентрации p-тип допанта, например, хлорида золота(III) (AuCl₃), доминирующие носители заряда смещаются с дырок на электроны. Это зависимое от концентрации изменение полярности позволяет одному и тому же полимеру проявлять как p-тип, так и n-тип характеристики, устраняя необходимость в различных материалах или сложных многослойных структурах устройств.

Для изучения этого механизма команда анализировала полимерные пленки, легированные AuCl₃. Было обнаружено, что степени окисления ионов золота и хлора изменяются в процессе легирования, что приводит к реакции замещения полимерных цепочек атомами хлора. Эта химическая реакция вызывает структурную перестройку основной цепи полимера, переориентацию молекулярной структуры и изменение путей переноса заряда, что в конечном итоге приводит к переключению полярности.

На основе этого механизма исследователи создали органический p-n гомопереходный диод, используя один и тот же полимер, легированный двумя разными концентрациями. Устройство продемонстрировало коэффициент выпрямления, в десятки тысяч раз превышающий показатели традиционных органических диодов на основе одного материала. Это подчеркивает потенциал таких решений для высокопроизводительных гибких электронных устройств с упрощенной архитектурой.

Профессор Чо и Канг отметили: «Наше исследование впервые выявило точный химический и структурный механизм переключения полярности в полимерных полупроводниках. Это открытие открывает путь к точному контролю электрических свойств органических полупроводников, делая будущие электронные устройства проще, стабильнее и эффективнее».